南昌大学*哈工大联合突破!固废基UHPC 养护机制全新揭示,水化可及性与孔结构演化精准调控

超高性能混凝土；固体废物利用；固化方案；反应可及性；孔隙结构演化；微观结构预设

超高性能混凝土（UHPC）凭借超高强度、高耐久性成为高端基建关键材料，但高熟料用量与高能耗生产与低碳发展目标相悖。将锂渣、钢渣、玻璃粉等工业固废引入 UHPC，可大幅降低水泥用量与碳排放，然而固废自身成分不均，叠加 UHPC 极低水胶比特性，导致体系对养护制度极度敏感。养护不仅影响水化进程，更主导反应可及性、凝胶生成与孔结构重分布，但其内在耦合机制尚未明确，严重制约固废基 UHPC 的稳定制备与工程应用。

现有研究存在三大核心短板：一是将养护简单等同于 “加速水化”，忽视其对早期反应环境的重塑作用；二是不同固废体系的养护响应差异机制不明，蒸汽养护易引发结构失衡与强度倒缩；三是缺乏统一评价指标，无法量化水化可及性与孔结构演化的关联。为此，团队采用统一配合比、固定 30% 固废替代率，系统研究标准养护、蒸汽养护、蒸汽 + 标准养护三种制度，从水化动力学、孔溶液化学、物相演变、孔结构特征多维度解析，构建 “养护 - 反应可及性 - 凝胶形成 - 孔结构重分布 - 结构稳定” 的机理性框架。

采用 “原料制备 - 统一配合比设计 - 分组养护 - 多维度测试 - 机制构建 - 工程指导” 的核心技术路线：以水泥、硅灰为胶凝材料，7 种典型工业固废为替代原料，统一水胶比 0.20、固废替代水泥 30% 制备 UHPC；设置标准养护、蒸汽养护、蒸汽 - 标准复合养护三组制度；通过等温量热、pH / 电导率测试、XRD、TG、FTIR、MIP、SEM-EDS 等手段，系统测试水化进程、孔溶液环境、物相组成、孔结构特征与微观形貌；构建反应可及性指数、动力学指数、孔网络主导指数等量化指标；最终建立养护制度与性能演化的关联模型。

实验材料

①核心原料：普通硅酸盐水泥、硅灰；7 种工业固废（锂渣 LS、玻璃粉 GP、底灰 BA、钨渣 TS、铜渣 CS、钢渣 SS、石灰石粉 LP）

②实验分组：标准养护：20℃、湿度≥95%，养护 3/7/28 天；蒸汽养护：90℃蒸汽养护 72 小时；复合养护：蒸汽养护 72 小时 + 标准养护 25 天

③配合比制备：固定水胶比为0.20，所有组别均采用30 wt% 固废等量替代水泥，骨料、硅灰、减水剂与用水量保持一致，保证统一对比基准

水泥材料和固体废弃物粉末的微观结构形态、元素定位及颗粒体积分布

水泥材料和固体废弃物粉末的颗粒粒径分布特征及关键统计参数

实验方法

①宏观性能测试方法：依据国标采用跳桌法测定砂浆流动度，按 GB/T 17671 测试不同龄期抗压与抗折强度；通过等温量热仪记录水化放热曲线，采用离心萃取法测试孔溶液 pH 与电导率，表征水化进程与离子环境变化

②微观性能测试：采用 TG-DSC 定量分析水化产物含量，XRD 与 FTIR 表征物相组成及凝胶结构演变，利用 MIP 测定孔径分布与孔隙特征，借助 SEM-EDS 观察微观形貌、界面过渡区并分析元素分布，全面揭示胶凝体系的结构演化规律

UHPC 浆料含有不同固体废物的流动性及其与比表面积的相关性

UHPC 结合剂含有不同固体废物的等温热量热曲线

UHPC 砂浆在标准和蒸汽固化条件下，不同固体废物的抗压强度演变和生长速率响应

在标准和蒸汽固化条件下，不同固体废弃物的 UHPC 砂浆的抗弯强度演变和生长速率响应

标准和蒸汽固化条件下浆糊样品孔隙溶液 pH 值的演变

标准和蒸汽固化条件下孔隙溶液上清液电导率的演变

OPC 浆料在不同固化条件下的 FTIR 光谱演化及 800–1300 cm⁻¹ 区域的高斯去卷积

OPC 和固体废物混合 UHPC 浆料（LS、GP、BA、TS、CS、SS、LP）去卷曲 FTIR 带面积组分（800–1300 cm^-1）的固化态依赖性重新分布，揭示了在蒸汽相关固化路径下向凝胶主导光谱贡献的系统转变

在不同固态固化条件下，利用不同固体废物在不同固态废物中的超碳酸酯浆料中进行热重（TG–DTG）分析及水化产物的定量演化

（a） TG–DTG 曲线，识别特征性脱水、脱羟基和脱碳阶段;（b–d）结合水、Ca（OH）₂ 和 CaCO₃ 的定量含量，均由定义的温度区间推导

定量 XRD 分析（20 重%刚玉内标）揭示了残余熟料相（C₃S、C₂S、C₄AF）和 Ca（OH）₂ 在不同固化条件下的演变

蒸汽固化（ST-3d）和标准固化（SD-28d）下浆料 MIP 表征：累积侵入曲线、孔径差异分布、分段孔分率谱以及特征孔径/孔隙度

不同固化条件下的分段孔隙分数光谱

具有特征性的孔径和蒸汽和标准固化下的总孔隙率

在标准条件下固化 28 天的超高氯化胶泥的 SEM 显微照片及相应的 EDS 元素图谱

通过 EDS 点分析得出的 Si/Ca 和 Al/Ca 比值的密度分布，展示了不同系统中水合凝胶的组成特性

标准和蒸汽辅助固化条件下，材料特性、水合热参数与强度发展之间的耦合相关性

固化方案对凝胶结构演化及水合产物再分布的

统一影响

固化诱导孔隙结构再分布的示意图

1、养护主导结构形成全过程：养护并非单纯加速水化，而是通过调控水化可及性，从根源上决定凝胶生成、沉积模式与孔结构重分布，是控制固废基 UHPC 力学发展与结构稳定性的核心因素；

2、性能由多场耦合机制决定：在低水胶比与 30% 固废替代条件下，UHPC 性能不再由材料本征活性单独控制，而是由离子传输、水化动力学、凝胶沉积三者协同决定，对养护条件表现出高度敏感性；

3、蒸汽养护实现孔结构范式转变；蒸汽养护可快速重构早期反应环境，推动孔网络从毛细孔主导向凝胶孔主导转变，显著提升早期强度；但早期结构一旦定型，将形成不可逆约束，限制后续结构优化空间；

4、固废与养护存在明确适配关系：蒸汽活化具有双重效应，既能提升反应效率，也可能诱发结构失衡。其中钢渣、铜渣与蒸汽养护匹配性最佳；锂渣经蒸汽养护后易出现强度倒缩；玻璃粉、钨渣更适配蒸汽 - 标准复合养护制度；

5、本研究在统一基准下解耦固废化学效应与养护条件效应，建立了 “养护制度–水化可及性–凝胶形成–孔结构重分布–结构稳定” 的完整机制模型，为固废基 UHPC 配合比设计、养护优选与工程可靠性提升提供了系统理论支撑与技术指导。